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Feedstock and Parameter Evaluation at a Pilot-Scale VINTER Unit: Optimisation of Oil Yield and Quality
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics.
2025 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Due to the strengthened green house effect and the Russo-Ukrainian war, the need for en- vironmentally friendly and sustainable biofuels is greater than ever before. The EU funded SEAFAIRER project intends to produce high quality energy carriers from cheap and readily available biogenic residues through intermediate pyrolysis with the VINTER technology at the demonstration-scale VIN250 plant. Three different kinds of biomass were chosen for testing in the SEAFAIRER project. These are rice husks (RH) from the region of Valencia, agave bagasse from the tequila production in Mexico, biomass sieving material (BSM) and digestate from Bavaria. Prior to trials at the demonstration-scale plant, the most suitable feedstock, char bed temper- ature and feed rate must be determined with regards to oil quality and yield. The goal of this study was to conduct a series of experimental trials at a pilot-scale VINTER plant to determine the most appropriate feedstock and the most suitable parameters for char bed temperature and feed rate with regards to oil quality and yield. RH, BSM and digestate were pyrolysed in this study. 

RH were quickly rejected for future research at the VIN250 plant, since the produced oil amount of <2wt% did not live up to expectations. This is probably due to excessive cracking of the hydrocarbons in the post-reforming zone, which was caused by a long gaseous residence time. The long gaseous residence time is likely caused by a low mass flow rate of feed, as the RH had a density of 150 kg/m3 in their unpelletised form. Alternatively, reactor blockages could have forced the RH through a smaller cross-sectional area, thus decreasing the solid residence time and thereby prevented pyrolysis from occurring. 

BSM and digestate produced high quality oils with advantageous HHVs of 35–37 MJ/kg and low water contents of 2.0–2.4wt%. The average total acid number (TAN) was 11.2 mgKOH/g for BSM and probably 5–12 mgKOH/g for digestate. 

BSM was after careful consideration rated higher than digestate, as it resulted in a higher average oil yield and HHVs that were up to 4% greater compared to digestate. For future use with BSM, the process parameters of V026 was found to be most suitable. It resulted in a high oil yield of 7.9wt%, a low water content of 1.8wt%, an average TAN value of 11.2 mgKOH/g and a high HHV of 36.9 MJ/kg. Furthermore, trial V026 is preferred over all other trials due to its stable operation over 72 hours. Trial V026 pyrolysed BSM at a rate of 75 kg/h and a char bed temperature of 525 °C. 

Abstract [de]

Aufgrund des verstärkten Treibhauseffektes und des russisch-ukrainischen Krieges, ist das Bedürf- nis nach klimafreundlichen und nachhaltigen Biokraftstoffen so groß wie nie zuvor. Das EU- finanzierte SEAFAIRER-Projekt beabsichtigt, hochwertige Energieträger aus günstigen und ver- fügbaren biogenen Reststoffquellen durch intermediäre Pyrolyse mit der VINTER-Technologie an der VIN250 Demonstrationsanlage zu produzieren. Drei verschiedene Arten von Biomassen wurden für Tests im SEAFAIRER-Projekt ausgewählt. Diese sind Reishülsen aus der Region Valencia, Agave Bagasse aus der Tequila Herstellung in Mexiko sowie Siebüberlauf und Gär- rest aus Bayern. Vor Versuchen an der Demonstrationsanlage muss der am besten geeignetste Einsatzstoff, Kohlebett-Temperatur als auch Einsatzstoffzufuhr in Bezug auf Ölqualität und - ausbeute festgelegt werden. Das Ziel dieser Studie war eine Serie von experimentellen Versuchen an einer VINTER-Pilotanlage durchzuführen, um den geeignetsten Einsatzstoff und die geeignet- sten Parameter für Kohlebett-Temperatur und Einsatzstoffzufuhr in Bezug auf Ölqualität und -ausbeute zu bestimmen. In dieser Studie wurden Reishülsen, Siebüberlauf und Gärrest py- rolysiert. 

Reishülsen wurden schnell für zukünftige Forschungen an der VIN250 Anlage abgelehnt, weil die produzierte Ölmenge nicht den Erwartungen mit <2Gew.% entsprach. Dies ist wahrscheinlich auf übermäßiges Brechen der Kohlewasserstoffe in der Post-Reforming Zone zurückzuführen, was wiederum Aufgrund von langer Verweilzeit der Gase verursacht wurde. Die lange Verweilzeit der Gase wird vermutlich durch einen niedrigen Massenstrom an Einsatzstoff verursacht, da die Reishülsen eine Schüttdichte von 150 kg/m3 im unpelletierten Zustand aufweisen. Alternativ, könnten Verstopfungen im Reaktor den RH durch eine kleinere Querschnittsfläche gezwungen haben, wodurch die Verweilzeit der Feststoffe verkürzt und somit die Pyrolyse verhindert wurde. 

Siebüberlauf sowie Gärrest lieferten hochwertige Öle mit vorteilhaften Brennwerten von 35–37 MJ/kg und niedrigen Wassergehalten von 2,0–2,4Gew.%. Die durchschnittliche Gesamtsäurezahl (TAN) war 11,2 mgKOH/g für Siebüberlauf und vermutlich 5–12 mgKOH/g für Gärrest. 

Nach sorgfältiger Prüfung wurde Siebüberlauf besser als Gärrest bewertet, da hier die Ölaus- beute durchschnittlich höher ausgefallen ist und die Brennwerte im Vergleich zu Gärrest um bis zu 4% höher waren. Für die zukünftige Nutzung von Siebüberlauf haben sich die Prozesspa- rameter von V026 als am vorteilhaftesten herauskristallisiert. Es hatte eine hohe Ölausbeute von 7,9Gew.%, einen niedrigen Wassergehalt von 1,8Gew.%, einen durchschnittlichen TAN-Wert von 11,2 mgKOH/g und einen hohen Brennwert von 36,9 MJ/kg. Zudem wird V026 ebenfalls wegen der stabilen Prozessführung über 72 Stunden vor allen anderen Versuchen bevorzugt. Versuch V026 pyrolysierte Siebüberlauf mit einem Einsatzstoffdurchsatz von 75 kg/h und einer Kohlebett-Temperatur von 525 °C. 

Abstract [sv]

På grund av den förstärkta växthuseffekten och det rysk-ukrainska kriget är behovet av kli- matvänliga och hållbara biobränslen större än någonsin. Det EU finansierade projektet SEAFAI- RER avser att producera högkvalitativa energibärare från billiga och lättillgängliga biogena rest- produkter genom intermediär pyrolys med VINTER teknologin vid demonstrationsanläggningen VIN250. Tre olika typer av biomassor blev utvalda för prövning inom SEAFAIRER projektet. Dessa är risskal från Valencia regionen, agave bagasse från tequila produktionen i Mexiko samt siktöverskott och rötrest från Bayern. Innan försök vid demonstrationsanläggningen måste det lämpligaste råmaterialet, kolbäddstemperaturen och inmatningshastigheten fastslås med hän- syn till oljekvalitet och -utbyte. Målet med denna studie var utföra en serie av experimentella försök vid en VINTER pilotanläggning för att fastställa det lämpligaste råmaterialet samt de lämpligaste parametrarna för kolbäddstemperaturen och inmatningshastigheten med hänsyn till oljekvalitet och -utbyte. I denna studie pyrolyserades risskal, siktöverskott samt rötrest. 

Risskal avfärdades snabbt för framtida forskning vid VIN250 anläggningen eftersom den producerade oljemängden på <2vikt% inte levde upp till förväntningarna. Detta beror troligen på överdriven krackning av kolvätena i post-reforming zonen, förorsakat av en lång uppehållstid för gaserna. Den långa uppehållstiden för gaserna tros ha orsakats av ett lågt massflöde av råmaterial eftersom risskalen hade en densitet på 150 kg/m3 i deras opelleterade form. Alternativt kan blockeringar i reaktorn ha tvingat RH genom en mindre tvärsnittsarea, vilket därmed minskade den solida uppehållstiden och förhindrade pyrolys från att ske. 

Siktöverskott samt rötrest producerade högkvalitative oljor med fördelaktiga högre värmevär- den på 35–37 MJ/kg samt låga vatteninnehåll på 2,0–2,4vikt%. Det genomsnittliga totala syratalet (TAN) var 11,2 mgKOH/g för siktöverskott och förmodligen 5–12 mgKOH/g för rötrest. 

Efter noggrant övervägande bedömdes siktöverskott vara mer fördelaktigt än rötrest eftersom det resulterade i ett högre genomsnittligt oljeutbyte samt högre värmevärden som var i jämförelse med rötrest upp till 4% större. Process parametrarna hos V026 ansågs vara de mest gynnsamma för framtida försök med siktöverskott. Det resulterade i ett högt oljeutbyte på 7,9vikt%, ett lågt vatteninnehåll på 1,8vikt%, ett genomsnittligt TAN värde på 11,2 mgKOH/g samt ett fördelaktigt högre värmevärde på 36,9 MJ/kg. Försök V026 är ytterligare föredraget över alla andra försök på grund av dess stabila processförlopp över 72 timmar. Försök V026 pyrolyserade siktöverskott vid en inmatningshastighet på 75 kg/h och en kolbäddstemperatur på 525 °C. 

Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 54
Keywords [en]
Pyrolysis oil, Intermediate pyrolysis
National Category
Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-240102OAI: oai:DiVA.org:umu-240102DiVA, id: diva2:1967745
External cooperation
Fraunhofer UMSICHT
Subject / course
Energiteknik
Educational program
Master of Science Programme in Energy Engineering
Presentation
2025-05-26, Teknikhuset, Umeå, 08:40 (Swedish)
Supervisors
Examiners
Available from: 2025-06-12 Created: 2025-06-12 Last updated: 2025-06-12Bibliographically approved

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